氬弧焊輔助自蔓延在金屬表面形成陶瓷塗層的方法

2023-08-10 22:31:01

專利名稱：氬弧焊輔助自蔓延在金屬表面形成陶瓷塗層的方法
技術領域：
本發明是一種在金屬表面製備陶瓷塗層的方法。屬於材料表面工程技 術領域。
(二)
背景技術：
近年來，隨著陶瓷材料的大規模研究開發，陶瓷與陶瓷或陶瓷與金屬 的連接技術也越來越引起人們的關注。金屬表面塗覆陶瓷塗層可以提高材 料耐磨、耐蝕性能或抗高溫性能。有很多方法可以在金屬表面形成陶瓷塗 層。實現陶瓷與金屬的有效連接可進一步擴大陶瓷的應用範圍。但由於陶 瓷和金屬是兩類性質不同的材料，相互結合時在界面上存在著化學及物理 性能的差異，特別是化學鍵差異較大，採用常規的焊接方法不能實現有效 連接。因此，陶瓷一金屬的連接成為近幾年來異種材料連接研究的重點。 常用的陶瓷一金屬的連接方法有三種焊接連接、機械連接和粘接連接。 焊接連接的特點是連接界面為擴散、物理力、化學鍵作用。接頭強度高， 有一定的氣密性，耐高溫，可靠性較高。但其工藝成本高，接頭存在內應 力。機械連接界面為機械力作用，接頭無氣密性，易產生應力集中。粘接 連接界面為物理力、化學鍵作用。機械連接和化學連接工藝的使用範圍很 有限，這兩種工藝聯合使用雖可以進一步增加接頭強度並獲得氣密性接頭，但使用條件也較有限。 一但考慮複雜受載條件、較高使用溫度及可靠性因 素時，就只能選擇陶瓷一金屬的焊接連接工藝。
鎢極惰性氣體保護電弧焊是一種以鎢棒為一個電極，以焊件為另一個 電極，用惰性氣體(氬，氦或氬與氦的混合)保護兩電極之間的電弧，熔 池及母材熱影響區而實施電弧焊接作業的焊接方法。因常採用氬氣保護，
通常簡稱其為鎢極氬弧焊或TIG焊。
鴨極氬弧焊具備有下列特點
1) 焊接時無需使用焊條或熔劑和焊劑，焊接後無需清除殘餘熔劑或焊 渣。因為氬氣本身也不與金屬和陶瓷發生物理化學反應，可良好地保護填 充焊絲、熔池及母材熱影響區而不受氧化。
2) 鎢極電弧穩定，即使在焊接電流小於10A的情況下，電弧仍可以
保持穩定，特別適合於焊接鋁合金薄板。
3) 熱源和填充焊絲可分別控制，熱輸入易於調整。
4) 由於填充絲不通過電流，無熔滴過渡，故電弧安靜，噪聲小，無金 屬飛濺。
5) 交流氬弧焊是具有對母材表面氧化膜的陰極清理作用，特別有利於 焊接表面易氧化的鋁、鎂及其合金。
6) 鎢極載流(電流)能力較低，生產效率不高。
7) 氬氣及氦氣價格較高，不利於降低生產成本。
8) 鎢極氬弧焊受作業現場氣流影響較大，不適於室外作業。
自蔓延高溫合成技術(Self-propagating High Temperature Synthesis,簡稱SHS技術)源於前蘇聯20世紀60年代後期，該技術是利用化學反應 放熱、增殖及傳播並同時進行材料合成。該技術開始主要用於製備TiB2、 TiC等純陶瓷粉料，經過幾十年的發展現在已經可以製備幾百種純陶瓷粉 料和多種陶瓷複合材料。但SHS技術在金屬表面工程方面的應用還沒有深 入廣泛的研究。特別是直接在金屬表面形成陶瓷塗層還存在以下兩方面的 問題
1) 在金屬表面不預熱或預熱溫度在50(TC以下時，單一SHS法在金屬 表面進行SHS反應不能形成陶瓷塗層，雖然許多SHS反應的絕熱溫度可 以達到2000 300(TC，但由於金屬良好的導熱性和SHS反應層較薄，總放 熱量少，金屬表面的SHS反應在短時間內無法使基體金屬表面處於熔融狀 態，生成的陶瓷組分也不能與金屬熔合，因此，用單一SHS法塗覆工藝在 金屬表面形成陶瓷塗層的方法是很困難的。
2) 在金屬表面預熱溫度到50(TC以上時，根據不同SHS反應放熱量， 在某一溫度下，可以使金屬表面熔化，並形成陶瓷塗層。但金屬基體預熱 到較高溫度會引起變形，並在隨後冷卻中，由於金屬與陶瓷熱膨脹的不匹 配引起熱應力，導致陶瓷層易於剝落。

發明內容
本發明的目的在於克服上述不足，提供一種直接在金屬表面形成製備 光滑、緻密、結合強度高、氣孔率低的高質量陶瓷塗層；熱利用效率高， 塗層製備成本低；易於控制，燒損和濺射現象小，安全可靠的氬弧焊輔助 自蔓延在金屬表面形成陶瓷塗層的方法。本發明的目的是這樣實現的 一種氬弧焊輔助自蔓延在金屬表面形成 陶瓷塗層的方法，所述方法包括以下工藝步驟 步驟一、配料
按化學計量配比取兩種或兩種以上能夠進行自蔓延高溫合成反應的反 應物粉料以及佔反應物總重量0 40。X的金屬粉料進行配料，所述的金屬
粉料是Ti、 Fe、 Ni、 Al或Zr，能夠進行自蔓延高溫合成反應的反應物粉料 是Ti和C。
步驟二、混合
將步驟一配成的反應物均勻混合2 4小時，配製出需要的混合粉料。 步驟三、塗覆
將步驟二混合後的粉料塗覆於打磨後的工件表面，具體塗覆方法是 將所述混合粉料加入適量水或羧甲基纖維素的水溶液，攪拌均勻後在經打 磨的工件表面噴塗或手工刷塗。
步驟四、烘乾
將經步驟三塗覆的工件在110。C 120。C烘乾1 2小時，以除掉其中 的水分。
步驟五、氬弧焊輔助SHS
這一過程是採用電流80A，電壓60V的電弧對工件塗層點燃，工件表 面塗層便產生自蔓延反應，在自蔓延反應的同時放出的高熱量使得工件表 面的局部處於熔融態，並且工件表面塗覆層產生自蔓延反應形成帶有金屬 中間過渡層的陶瓷塗層，相當於焊接中的熔池使反應後的陶瓷相能夠與金屬基體很好的結合在一起，從而在金屬基體表面產生了陶瓷塗層。 步驟六、停機、質量檢查
檢驗工件陶瓷層和中間過渡層厚度及表面質量，合格後待用。 本發明可以在金屬基體與陶瓷塗層之間形成金屬中間過渡層，其形成 過程是自蔓延反應生成的金屬或添加物中的金屬在自蔓延放熱和氬弧焊 電弧作用下熔化，由於熔融金屬的比重及其與金屬基體表面的親和力均大 於熔融陶瓷，從而在金屬基體與陶瓷塗層之間形成金屬過渡層，降低陶瓷
材料塗層的內應力，提高結合強度;金屬表面陶瓷塗層的主要組分是A1203、 TiC及Zr02等。它們不是由直接塗覆在金屬表面的陶瓷粉料在電弧燒結下 形成的，而是由於自蔓延反應合成的產物。
本發明克服了現有技術在陶瓷與金屬之間的結合問題，如，無法在金 屬表面製備出完整連續的陶瓷塗層和金屬基體表面加熱不足，塗層的粘結 強度、硬度和沉積效率降低的不足；同時也克服了SHS反應低溫無法在金 屬表面形成陶瓷塗層、而在高溫時金屬表面形成陶瓷塗層可操作性差的不 足，在金屬表面直接製備出具有金屬過渡層和與金屬基體結合強的完整、 連續的TiCNi、 TiCFe及Ab03和Zr02基複合材料陶瓷塗層。
本發明的基本構思是依據SHS反應是高放熱化學反應過程的原理，把 SHS技術與氬弧焊焊接技術結合起來，在金屬表面塗覆一層能夠進行SHS 反應生成陶瓷塗層的粉料及添加物粉料，用電弧點燃塗層材料並產生自蔓 延反應，由於這一化學反應過程在電弧及塗層自身放出高熱量的支持下繼 續進行，在反應同時保持陶瓷粉料、添加物熔融和金屬表面熔化的前提下,將SHS反應蔓延到整個金屬表面，生成的陶瓷組分與熔融金屬表面充分熔 合，物料中的金屬熔化並在金屬基體與陶瓷塗層之間形成金屬過渡層，從 而形成完整連續的陶瓷塗層，實現本發明的任務。
本發明獲得高結合強度的金屬相與陶瓷相的條件是，反應物料應採用 能夠進行自蔓延反應並產生陶瓷材料、金屬材料的粉料或在採用能夠進行 自蔓延反應的材料，但反應物如果只能產生陶瓷材料而不能產生金屬材料 的反應粉料時，則應在反應物粉料中另加入金屬粉料添加物。
本發明的主要優點是
1)自蔓延高溫合成(SHS)同氬弧焊電弧焊接技術相結合發展起來的 反應電弧塗層技術可以合成出性能優異的塗層，同時利用反應放熱提高溫 度，從而提高塗層與基材的結合強度，克服單一電弧法和單一自蔓延法的 不足，降低原料成本。
陶瓷塗層是SHS反應在電弧的輔助作用下，利用廉價的原始材料直接
由反應物生成，節約材料成本。
3)節省能源，降低設備成本，實際操作電流為80A，電壓60V，節省
能源，易於控制，燒損和濺射現象小。 具體實施方式
下面結合本發明的具體實施例，進一步說明本發明的細節。 在30X50mm，厚6mm的45#鋼耐磨塊上，要求表面塗敷一層厚0.2mm
的TiCNi陶瓷塗層，金屬中間過渡層為Ni，採用本發明方法製備，其步驟
如下-步驟一、配料
塗層材料由Ti+C+Ni組成，分別取商業供應粉料粒度為200-270目的 Ti粉12.8g， C粉3.2g，添加物為Ni粉，取4g，總重為20克。 步驟二、混合
將步驟一配成的粉料均勻混合2 4小時，配製出需要的混合粉料。 步驟三、塗覆
將工件表面酸洗去除汙物，用200#砂布打磨至光滑，將步驟二混合後 的粉料塗覆於打磨後的工件表面，具體塗覆方法是將所述混合粉料加入 10ml水和20g羧甲基纖維素，攪拌均勻後在經打磨的工件表面手工刷塗 0.5mm厚。
步驟四、烘乾
將經步驟三塗覆的工件在110。C 120。C烘乾1 2小時，以除掉其中 的水分。
步驟五、氬弧焊輔助SHS
取電流為80A，電壓60V，塗覆層材料在電弧加熱下被引燃進行自蔓 延反應，金屬表面在自蔓延反應放出大量熱和電弧加熱的同時作用下出現 表層熔化，自蔓拜反應生成物TiCNi在自身放熱和電弧加熱條件下呈熔融 或液態與金屬表面熔合形成連續陶瓷材料塗層，同時添加物Ni在金屬基體 與陶瓷塗層之間形成金屬中間過渡層，提高結合強度。
步驟六、停機、質量檢査
經檢測製備的陶瓷塗層表面光滑、完整連續，表面塗層是TiCNi，層厚0.15mm，中間過渡層Ni，表面塗層厚度為0.05mmc
權利要求
1、一種氬弧焊輔助自蔓延在金屬表面形成陶瓷塗層的方法，其特徵在於所述方法包括以下工藝步驟步驟一、配料按化學計量配比取兩種或兩種以上能夠進行自蔓延高溫合成反應的反應物粉料以及佔反應物總重量0～40％的金屬粉料進行配料，所述的金屬粉料是Ti、Fe、Ni、Al或Zr，能夠進行自蔓延高溫合成反應的反應物粉料是Ti和C。步驟二、混合將步驟一配成的反應物均勻混合2～4小時，配製出需要的混合粉料，步驟三、塗覆將步驟二混合後的粉料塗覆於打磨後的工件表面，具體塗覆方法是將所述混合粉料加入適量水或羧甲基纖維素的水溶液，攪拌均勻後在經打磨的工件表面噴塗或手工刷塗，步驟四、烘乾將經步驟三塗覆的工件在110℃～120℃烘乾1～2小時，步驟五、氬弧焊輔助SHS採用電流80A，電壓60V的電弧對工件塗層點燃，工件表面塗層便產生自蔓延反應，在自蔓延反應的同時放出的高熱量使得工件表面的局部處於熔融態，並且工件表面塗覆層產生自蔓延反應形成帶有金屬中間過渡層的陶瓷塗層，相當於焊接中的熔池使反應後的陶瓷相能夠與金屬基體很好的結合在一起，從而在金屬基體表面產生了陶瓷塗層。
全文摘要
本發明涉及一種氬弧焊輔助自蔓延在金屬表面形成陶瓷塗層的方法，所述方法包括以下工藝步驟一、配料按化學計量配比取兩種或兩種以上能夠進行自蔓延高溫合成反應的反應物粉料以及佔反應物總重量0～40％的金屬粉料做為添加物粉料，進行配料；二、混合；三、塗覆將步驟二混合後的粉料塗覆於打磨後的工件表面；四、烘乾；五、氬弧焊輔助SHS採用電流80A，電壓60V的電弧對工件塗層點燃，工件表面塗層便產生自蔓延反應，在金屬基體表面產生了陶瓷塗層。本發明的優點是直接在金屬表面形成製備光滑、緻密、結合強度高、氣孔率低的高質量陶瓷塗層；熱利用效率高，塗層製備成本低；易於控制，燒損和濺射現象小，安全可靠。
文檔編號C04B35/56GK101462879SQ200910028068
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者劉禮華, 磊 張, 李吉峰, 湯秀山, 譚佃龍, 威 陳 申請人:江陰東大新材料研究院